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食品工程

[拼音]:shipin gongcheng

[外文]:food engineering

词条食品工程主要介绍了发展简况、基本单元操作、物料输送、固体物料输送、流体物料输送、清洗、果蔬原料清洗、洗瓶、设备清洗、分级、破碎、分离、过滤、膜分离、离心分离、混合、乳化、传热、浓缩、蒸发浓缩、冷冻浓缩、干燥、制冷、真空操作、包装、液体灌装、制袋充填包装、热成型包装、包装计量、无菌包装、制罐、食品机械和设备的要求、技术要求、材料要求、外观质量要求、食品生产中的自动控制和未来展望。

研究食品工业生产中所用加工方法、过程和装置的一门技术科学。食品工程是食品生产工艺和设备的设计基础。一种新产品的开发通常需要经过研究试验、中间试验,然后依照工程原理进行相似放大,使之能适合工业生产的要求。食品加工过程中的物料,不仅有物理变化,往往还伴有化学变化和生物化学变化。食品工程涉及到化学、物理、农学、生物化学、生物学、微生物学、化学工程、生化工程、机械工程、人体营养与食品卫生学、包装材料和工程、环境治理与工程等多门科学。食品工程的任务是不断为食品工业生产的科学、合理、优化,提供必要的论证、技术和设备机理。食品工程研究的对象是食品生产中单一的或复合的过程和典型设备,研究这些过程和设备的机理及其共性和特性。从食品工程技术科学的发展状况来看,它和化学工程、生物工程紧密相关。在食品工业中虽然门类繁多,制造方法、设备大小和结构形式等各有不同,但可将这些制造过程加以分类整理,并且通常可归纳为由若干应用较广而为数不多的、称之为单元操作的基本过程组成。食品工程具有基本学科的性质,它所研究的基本原理是各门类食品工艺学、发酵工艺学、食品机械学等学科的主要基础和组成部分。

发展简况

食品工程的发展过程和食品生产行业的历史同样悠久,可以追溯到古代发酵和蒸发过程。从历史上看,食品加工的出现远较化学加工为早。人类以家庭烹调和手工方式加工食品的历史延续了许多世纪,但食品工业的出现则仅是近百年的事。长期以来,食品工业是以作坊的形式,凭经验和传统方法为其生产基础。19世纪末,科学原理才开始进入食品加工领域。食品加工科学化的一个重要方面是引入和运用化工单元操作,并发展形成食品工程单元操作,从而促进了食品工业向着大规模、连续化和自动化的方向发展。1952年,美国M.E.帕克撰写了《食品工程原理》一书,其他国家也相继出版了有关食品工程原理和食品工程单元操作的教科书,这是食品工程这门科学基本形成的重要标志。

基本单元操作

食品工程所研究的基本单元操作一般包括:物料输送、清洗、分级、破碎、分离、混合、乳化、传热、浓缩、 干燥、 制冷、真空操作和包装。食品制造过程通常由其中的几个基本单元操作过程组成。大部分单元操作过程是由传质、传热和流体流动的基本定律所决定的。这些过程的实质既包含热量的传递,又包含着质量的传递,而决定过程进行的关键则是热量传递。

物料输送

在食品工厂内的物料输送包括原料输送、物料在工序间的输送和成品输送。物料输送既有水平方向的运送,也有垂直和倾斜方向的运送。根据物料的形态,可以分为固体物料和流体物料的输送。

固体物料输送

输送固体物料的设备有带式输送机、斗式输送机、螺旋输送机、链式输送器和气力输送器等。

(1)带式输送机。以在两个或两个以上皮带轮上运转的环形输送带作为传送元件的装置。它主要由输送带、驱动装置、张紧装置、托辊、加料和卸料装置组成。适用于块状、颗粒状物料和整件物料的水平或倾斜方向输送。

(2)斗式输送机。将盛料的升运斗固定在挠性牵引构件上而对物料进行垂直或倾斜输送的设备。它广泛用于粮谷食品、颗粒状食品(如蘑菇、青豆等)的输送。

(3)螺旋输送机。利用旋转的螺旋将被输送物料在固定的机壳内推移而进行输送的装置。可用于输送粉碎得很细的粉末,潮湿、胶粘、稠厚的物料,具有化学活性的物质和各种颗粒状物料。它具有防尘结构,便于拆卸。适用于奶粉、花生酱之类食品的输送。对于难以输送的物料,可相应采用双叶片、三叶片、变螺距或直径阶梯变化的螺旋。

(4)链式输送器。利用特制的链条与两链轮相啮合来传送物料的装置。它可以分为吊链式、刮板式和板式 3类,用于水果、蔬菜、立式杀菌锅的杀菌篮等的输送和搬运。

(5)气力输送器。利用高速气流在管道中输送颗粒状物料的设备。主要由供料装置、卸料装置、闭风器、除尘装置、气体输送机和输料管路 6部分组成。气力输送主要有真空输送和压力输送两种形式。真空输送(图1)是将物料吸入输料管中,在负压下输送到指定地点,然后将空气从物料中分离出来,物料从排料装置中卸出。从分离器分离出来的空气经净化除尘后,用真空泵抽出。由于输送系统为真空,消除了物料外流,保持了环境清洁。真空输送适合于从几个不同的地方向一个卸料点送料的场合。压力输送(图2 )是用空气将物料压送入输料管中,物料被送到指定位置之后,经分离器自动排出,分离出来的空气净化后放空。压力输送适合于一个加料点向几个不同地方送料的场合。

在气力输送系统中,气流速度过低,则被输送的物料不能悬浮或不能完全悬浮;气流速度过高,则浪费动力和增加颗粒物料的破碎等。气流速度的大小借助于实验或经验方法来确定。气流输送的优点是初置成本较低,机械结构简单,输送路线可任意安排和改变,输送过程具有自洁的特点,可以输送谷物、糖、茶叶、面粉、奶粉、淀粉和鱼粉饲料等多种食品。缺点是所需功率大,有可能损伤被输送的物料,不适合输送潮湿易结块和粘性的物料。

流体物料输送

在食品生产中,许多原料和产品是以液体状态存在的。食品工业上处理的液体,除单纯的液体外,多半是具有多成分系的复杂性质的流体,其流动现象不同于一般液体,属非牛顿液体。凡是源出于生物系统的液体,如蛋白质或多糖类的溶液或悬浮物,大多属于非牛顿流体。这类液体在食品加工过程中最为常见,如奶油、蛋黄酱、干酪、果酱和巧克力浆等。对非牛顿流体的深入研究是食品工程的重要内容。

研究流体食品的输送须从流体力学着手。流体的粘度和密度是影响流体流动的重要物理性质。流体流动类型对于流体输送、传热、搅拌、过滤等的影响甚为密切。流动类型可以用雷诺准数来判断,而雷诺准数是导管直径、流体平均流速、流体动力粘度和密度的综合反映。食品流体的输送是在管道中进行,并借助于泵来实现的。泵的作用除了增加流体的能量外,其相当部分的能量消耗于流体与管壁、流体质点间的摩擦损失,以及流体流经阀门、管件等局部位置的阻力损失。泵的功率计算、管路直径的确定和管路系统的设计的基本依据是伯努利方程和设计部门的长期实践经验。由于果蔬汁液具有不同程度的腐蚀性,含脂食品又易于氧化,营养丰富的食品又极适宜于微生物的滋长,所以输送食品的管路和输送设备必须采用不锈钢材料,而且结构上要完善地密封,联接件要便于拆卸和清洗。

在食品工厂中使用泵的目的是提升、移送流体,或是为了改变流体的压力和流速以满足不同工艺过程的需要。食品生产中常用的泵有离心泵、螺杆泵和旋转泵。

(1)离心泵:又称卫生泵,主要用于输送水等低粘度的液体。当用离心泵输送牛奶、果汁或带悬浮颗粒等粘度不高的液体时,常将叶轮制成开式结构,轴向采用机械密封,泵体、叶轮和密封装置应易于拆卸和清洗。

(2)螺杆泵:常用于输送粘稠液体或带有固体物料的酱状食品。螺杆泵能产生较高的压头,可通过改变转数来调节流量。

(3)旋转泵:有齿轮泵、罗茨泵或其他结构的叶片泵等。常用来输送油和糖等粘稠物料。

清洗

果蔬原料在其生长、收获和贮运过程会受到尘埃、农药、微生物和其他污物的污染,因此在加工前必须彻底清洗。此外,在食品生产中还必须对包装容器和加工设备进行清洗,以确保食品卫生。

果蔬原料清洗

洗涤果蔬原料的常用方法有:

(1)浸泡,在静止水、流动水或其他液体中浸泡。

(2)喷水,用低压散射或较高压力的定向喷射,以除去果蔬上干结的污物。

(3)用旋转滚筒式清洗机清洗,借滚筒的旋转由螺旋将物料带至滚筒。其清洗效果取决于滚筒转速、滚筒内呈波形突起的数量和物料在清洗机中的停留时间。

(4)用刷式清洗机清洗,借旋转刷来清除砂土、土壤和喷药残留物。

(5)用鼓风式清洗机清洗,鼓风机将空气送入洗槽,使水产生剧烈翻动而将原料上的污物除去。

洗瓶

回收的饮料瓶或玻璃瓶罐要用洗瓶机清洗。对洗瓶机的要求是:能洗净粘附于瓶上的污物;瓶内不残存洗涤剂和活菌;瓶子离开机器时温度要适宜,只允许残留微量的水迹。

设备清洗

在食品生产中,对工艺设备和管路的清洗是保证产品卫生和加工过程顺利进行的重要措施。设备清洗的目的是要去除附着于设备上的污物及致病菌,有时要求达到无菌。清洗过程为:

(1)清洗设备表面上的污物;

(2)使溶解的污物分散到洗涤液中;

(3)使污物保持分散状态,以防重新沉积到设备上。清洗过程常采用洗涤剂或表面活性剂。70年代以来,大型牛奶厂和果汁、饮料等的无菌包装系统广泛采用原位清洗方法,即不拆卸机械装置,通过高温、高浓度洗涤液在装置内的强力作用,将与食品接触的表面洗净。原位清洗的全部操作过程是按自动程序进行的,因此清洗十分可靠。

分级

将产品按质量进行分离。产品质量可按照物料的尺寸、形状、密度、结构和颜色来划分。食品工业中常用的分级设备有筛子、滚筒分级机、分离输送带和色选机等。

(1)筛子:使用最广的分级装置。用筛子将固体物料按颗粒大小分成若干等级的操作称为筛分。常用筛子与鼓风机相配合进行清理和分级作业。

(2)滚筒分级机:适用于圆形颗粒状物料(如蘑菇、青豆等)的分级。它主要由圆形滚筒、支承托轮和传动装置组成。在粮食加工中,把滚筒制成正六角体,用绢丝制成筛面,称为六角筛。

(3)分离输送带:广泛用于果蔬类物料的分级。它由两条输送带组成,带的间距是有规律地增加的。水果被夹在两条输送带之间,在输送带前进的过程中被分离。以上主要是按形状、大小分级。按色泽分选的电子色选机则可根据标准色泽来分离出不符合标准的物料,如用于青豌豆、炒杏仁等的分选等。

破碎

即通过机械的方法使物料的尺寸减小。在破碎过程中物料的化学性质不发生变化。食品的破碎是通过切削、碾压和剪切作用进行的。切削是一种分离或破碎过程,它通过薄而锐利的刀片强制穿过物料而获得各种薄片。碾压是通过对物料施加超过其强度的力的方法来破碎物料。碾压力可以是静力(如用刚性轧辊碾压物料)、也可以是动力(如锤式粉碎机)。剪切是切削和碾压的联合作用,通常用于粉碎坚韧的纤维性物料。食品工业常用的破碎机械有锤式粉碎机、辊式磨粉机和盘式磨粉机。

(1)锤式粉碎机:主要由旋转的锤头和坚固的冲孔筛组成(图3 )。物料被送入粉碎室后,即被一组以1400~4000r/min速度旋转的锤头锤击而捣碎,直至细小到足以通过底筛为止。产品粗细度主要由筛眼尺寸、转子转速和喂料速度来控制。锤式粉碎机多用于处理结晶固体、纤维质物料和块状物料等,如胡椒、香料、奶粉、糖粉等。

(2)辊式磨粉机:主要由两个磨辊组成。磨辊表面有光滑和齿槽式两种。一对磨辊的表面线速度可以不同,齿槽也有不同形状,因而可以获得不同的粉碎过程,并适用于不同性质和要求的物料。广泛用于制粉工业、麦片生产和啤酒厂的麦芽粉碎等。

(3)盘式磨粉机:主要由两个粗糙的磨盘组成。一个固定,另一个旋转。物料被喂到两个磨盘之间受到碾压和剪切而粉碎。磨盘的工作转速通常在 1200r/min以下。产品的粗细度是通过改变磨盘表面的槽纹和间距来控制的。

分离

将悬浮液或乳浊液中的两相进行分离的单元操作。通过分离可以提取纯净的物质。常用的分离方法有过滤、膜分离和离心分离等。

过滤

食品生产中将悬浮液中的固液两相进行分离的技术。按过滤机制可分为表面型和深层型两种。典型的表面型过滤机制是通过滤布过滤,液体通过滤布,而固体物则被截留在滤布上。典型的深层过滤机制是沙滤,过滤介质层较厚,固体粒子穿入部分过滤介质层之后附在过滤介质上。过滤设备可按介质性质和操作方式来分类。

(1)过滤介质:食品工业所用的过滤介质除了要求具有多孔性结构和支承滤饼的足够强度外,还必须无毒,不易滋生微生物,易于清洗消毒和耐腐蚀。常用的过滤介质有:织物介质,是由天然或合成纤维、金属丝等编织的滤布、滤网等,可截留直径为 5~65µm的颗粒,用于醋、淀粉、糖浆、酱油和糖液等的过滤;多孔固体介质,如多孔素瓷、多孔玻璃、塑料细粉粘结而成的多孔塑料管,能截留1~3µm的微小颗粒,用于白酒、糖液等的过滤;堆积介质,由固体颗粒如焦炭、石砾、细砂、活性炭或玻璃棉堆积成层,借介质间的微细孔道截留悬浮固体,一般用于处理固体量很少的悬浮液,如水的净化和糖的脱色等。

(2)助滤剂:在过滤前预先涂覆于滤布上或添加于滤液浆中,能增加滤饼刚性、改善滤饼结构的物质。常在处理含有粘性很大的细微颗粒时采用。作为助滤剂的条件是:能悬浮于料液之中;粒子大小有适当的分布;不含可溶性盐类和色素;无毒且具有化学稳定性。食品生产中常用的助滤剂有硅藻土、活性炭和锯屑。一般只是在要求获得清净滤液时才使用助滤剂。

(3)过渡设备:按其生产的压差可分为压滤和吸滤、离心分离两大类。食品工业中最常用的压力过滤机是板框压滤机、硅藻土过滤机和转鼓式过滤机。板框压滤机多用于糖液和酶制剂的过滤。硅藻土过滤机是现代啤酒厂最广泛应用的啤酒过滤机,也广泛用于葡萄酒和清酒的过渡。转鼓式过滤(真空)机为连续式,它将过滤、洗饼、吸干、卸饼等各项操作分别在转鼓的一周回转中依次完成,已广泛用于糖液、淀粉浆、柠檬酸发酵液的过滤。

膜分离

使用半透膜分离物质的技术。其推动力有压力和电力(如电渗析)两种。超滤和反渗透是以压力为推动力的膜分离过程。半透膜的一侧为大气压,另一侧为供料泵产生的高压侧,从而形成膜两侧的压力梯度,以分离溶液中分子量不同的溶质。

(1)超滤:用具有极细孔径的滤膜截留溶液中直径约0.5µm或更小的颗粒或分子量大于500的大分子溶质。类似盐、糖的溶质可通过滤膜(图4),而大分子的溶质如蛋白质等仍被截留。食品工业使用的超滤膜多是由醋酸纤维制造的,适用于pH3~8,温度上限为50℃的操作条件。

(2)反渗透:是渗透的逆过程,要求半透膜的孔径比超滤膜的为小,而工作压力须在4MPa以上,只有水和一些类似的小分子能通过滤膜,所截留的溶质的分子量小于500。常用醋酸纤维和聚酰胺为膜的材料。聚酰胺适用于pH3~11、温度小于 80℃、工作压力小于8MPa的操作条件。

超滤和反渗透主要用于牛奶、果汁、咖啡、酪乳清的浓缩和水的处理。用反渗透法浓缩可除去60%的水分。由于它是在环境温度下操作的,故对热敏性的芳香和风味化合物不产生挥发失散现象;无相变能量,故效率高和成本低。超滤和反渗透装置有平板膜式、管式和空心纤维式等。

离心分离

利用惯性离心力的作用,过滤、澄清悬浮液,或将两种轻重不同、互不溶解的液体分离的技术。其设备有离心机和旋液分离器两种形式。

离心机主要由转鼓、转鼓罩和转轴构成。有过滤式、沉降式和分离式 3种。衡量离心机分离能力的尺度是离心分离因数,其值为离心加速度和重力加速度之比。

(1)过滤离心机:按其结构形式有三足式、上悬式、卧式刮刀卸料和活塞脉冲卸料分离机 4种。主要用于砂糖、葡萄糖、盐、淀粉、鱼肉制品的精制,果蔬汁的处理和冷冻浓缩时的冰晶分离等。

(2)沉降式离心机:主要用于回收动植物蛋白,分离可可、咖啡和茶等滤液。转鼓以 1000~4500r/min的速度旋转,转鼓壁上无孔,悬浮液自转鼓的中间加入,固体物因离心力作用沉降至转鼓内壁,形成外环,澄清的液体形成内环并从转鼓端部出口溢出。连续操作的离心机转鼓常为卧式,固体沉渣由螺旋排出(图5)。

(3)分离式离心机:用于液-液系统的乳浊液或极细颗粒的固-液悬浮液的分离。常用管式高速离心机和碟片式离心机。管式离心机(图6 )常用于动植物油和鱼油的脱水,果汁、苹果浆和糖浆的澄清。这种离心机在固定的机壳内装有以高速旋转的狭长管状无孔转鼓,转鼓直径小于200mm,转速一般为15000r/min,分离因数可达50000左右。料液自下部进入,在其向上流动的过程中将轻、重液分成两个同心环状液层并在上部分别排出。

碟片式分离机因在转鼓内装有若干倒锥形碟片而得名。碟片以5500~10000r/min的高速旋转。液体自空心转轴的顶部进入,流到碟片组底部并经碟片上孔眼通道分配到各碟片通道间隙,在离心力作用下形成重、轻液而分别汇集。此法广泛用于牛奶脱脂。如碟片上无孔,料液从转动碟片的四周进入碟片间的通道并向轴心方向流动,而固体颗粒在离心力作用下向碟片外缘移动并沉降下来。沉渣可在停机后由人工卸除或在不停机情况下间歇地用液压装置自动排除。此种形式的分离机为澄清式分离机,用于带有少量微细颗粒的粘性液体的净化,如从植物油中脱去皂脚或从饲料酵母培养液中提取酵母细胞。

(4)旋液分离器:用于分离和洗涤淀粉的旋液分离器,其主要元件为旋液分离管,工作原理(图7)为:淀粉液用泵由切向压入旋液分离管后,即在管内作旋转运动,因离心力的作用,流体在管内形成双重螺旋运动,淀粉颗粒沿壁向下运动成为底流从底孔排出。含蛋白质较轻物质的液流则被推向分离管中心部分,绕轴线旋转成为溢流,自上端溢流孔流出。工业生产上用的旋液分离装置是根据生产能力的要求,用一定数量的旋液分离管并联而成。将分离器应用于一个日产淀粉20t的工厂,与传统的流槽相比,可节约厂房1100m2

混合

在食品工业中应用混合作业的主要目的是配料和调合;促使吸附、浸出、溶解和结晶过程的进行;强化传热。有液相存在的物料的混合常采用机械搅拌方法。典型的搅拌装置主要由圆筒容器、搅拌器组成。搅拌器按工作原理可分为桨式和涡轮式两大类。前者使液体形成轴向和切向运动,后者则形成径向和切向运动。除机械搅拌外,尚有气流搅拌和射流搅拌等形式。

当固体和液体按一定比例混合形成高粘度的浆体或塑性固体(如面团)时,流动便极为困难。用于面团的混合器称捏和机,其搅拌元件的运行必须遍及混合容器的各部位,使物料受到混合元件剪力作用而被拉延和折叠。

颗粒状物料的混合设备有螺带式混合槽和螺旋式混合器。也有的采用混合筒,它是借容器重力使物料垂直下落以达到混合目的。螺带式混合槽是在混合槽的同一轴上装有方向相反的螺旋带,使物料产生纵横运动而均匀混合。螺旋式混合器(图8 )是在倒锥形料斗中沿锥面设置螺旋输送器,输送器除了自转外,还绕着锥形斗轴线摆动旋转,以使螺旋能通过全部物料。

乳化

一种特殊的混合操作,包含着粉碎和混合的双重含意。它是将两种通常不互溶的液体进行密切混合,使一种液体(非连续相)粉碎成为小球滴而后分散在另一种液体(连续相)中。乳化操作的产物为乳化液。食品工业的乳化液多为水和油的混合物。有时为了获得稳定的乳化液,需要添加乳化剂,以促使乳化液微粒化效用和防止液滴的聚合。在食品工业中通常采用的乳化设备有以乳化剂为乳化作用的搅拌乳化器和以机械剪力为主的胶体磨、均质机等。搅拌乳化器为机械搅拌形式,为强化乳化效果,常用高速转动的旋桨或涡轮作搅拌器。有时在搅拌器的外围设置1~2个柱状圆环,环上钻有若干个小孔。

胶体磨主要由一个固定的表面(固定件)和一个旋转表面(工作面)组成,两表面间有可调节的微小间隙。物料通过间隙时,由于转动件高速旋转,附于旋转面上的物料速度最大,而附着于固定面上的速度为零。其间产生急剧的速度梯度,使物料受到强烈的剪切摩擦和湍动骚扰而达到乳化分散作用。卧式胶体磨(图9 )中,固定面与旋转面的间隙通常为50~150µm,转速为3000~15000r/min,适用于粘度较低的物料。对于粘度较高的物料可用立式胶体磨,其转速为3000~10000r/min。用胶体磨处理的液体粘度可大于1Pa・s。

均质机主要由高压泵和均质阀组成。高压泵通常为一组三柱塞泵。被处理的液体经高压泵增压后送到均质阀(图10),均质压力可达69MPa。均质阀由阀座和装在阀座上的阀盘组成,可通过调节其间的间隙来改变均质压力。其工作原理是:当液体在高压下通过阀座与阀盘之间的狭缝时,高静压能转化为动能,液体获得200~300m/s的高流速,而在离开间隙时以高速冲击圆形挡环,并被迫改变流向。均质作用是剪切、撞击和气穴现象共同作用的结果。均质机适用于处理粘度小于0.2Pa・s的液体,如牛奶、豆奶和果汁等。

传热

在食品生产中热的传递是重要的单元操作。它总是与别的单元操作伴随在一起。例如牛奶和果汁的杀菌、冷却,食品的冷冻,水果和蔬菜在运输、贮藏时的冷却以及罐装食品的热力杀菌。在蒸发、蒸馏过程中,传热也是一种提供能源的基本操作。在发酵过程中,为了细菌的生长,必须提供热量以维持一定的温度;另一方面,又必须除去发酵过程中可能产生的热量以免温度过高。热传导、对流传热和热辐射 3种基本的传热过程在食品加工中常常是同时存在的。化工单元操作的传热理论对食品生产中的传热都是适用的。由于食品的性质、形态、对热的繁感性及卫生要求,食品工业中所使用的传热设备与一般化工装置有所区别。一般来说,列管式换热器用蒸汽作加热介质时,都在正压下操作。但作为番茄汁、果汁的加热和牛奶的巴氏杀菌,为避免过热,可采用负压蒸汽作载热体。对处理番茄酱之类的高粘度食品采用旋转刮板式热交换器是有效的。旋转刮板的迅速搅动不仅防止食品的过热和焦化,对某些食品还可形成乳化和混合作用,在蛋黄酱、人造奶油和冰淇淋生产中获得应用。片式换热器具有结构紧凑、传热系数高、操作灵活和便于拆洗等优点,已成为乳品、蛋品和果汁高温短时杀菌、冷却的必备设备。食品工业中用洁净的蒸汽直接喷射于果汁、豆奶、牛奶之中,可达到瞬时加热的效果。

浓缩

食品浓缩的目的是:

(1)除去液态食品中大量水分,以减少包装和贮运费用;

(2)提高制品浓度,增加制品的保藏性;

(3)作为产品干燥的预处理;

(4)作为某些结晶操作的预处理。食品浓缩的方法主要有蒸发浓缩、冷冻浓缩和超滤、反渗透。

蒸发浓缩

在蒸发器中进行。一般采用饱和蒸汽为热源,将溶液加热到沸腾状态,溶液中的水分大量汽化,而溶液中固形物浓度增加。在常压下操作时,由于溶液的沸点较高,会使热敏性食品中的有效成分分解。因此,在食品工业中的蒸发浓缩大多在真空下进行。为了提高蒸汽的利用率,常采用多个蒸发器串联的多效蒸发。对糖液和番茄汁的浓缩可用4~6效,对牛奶等热敏性物料的浓缩常用双效浓缩。

蒸发器有多种结构,按液体在器内的流动方式,可分为循环型和单流式蒸发器。循环型蒸发器为间歇操作,物料停留时间长。其典型设备为中央循环管式蒸发器,为糖厂普遍使用。单流式蒸发器有升膜和降膜式、旋转刮板式和离心薄膜式等,由于物料在此类蒸发器中停留时间短,适用于牛奶和果汁等热敏物料的浓缩。旋转刮板式蒸发器特别适用于高粘度、热敏性物料的浓缩,例如用以制取橘浆、蜂蜜、番茄酱和酶制剂等。

冷冻浓缩

是利用冰和水溶液之间的固-液相平衡原理的一种浓缩方法。当溶液中所含溶质浓度低于共溶浓度时,将溶液冷却,直到水分成为冰晶析出,余下溶液中的溶质浓度就相应提高,然后用机械方法将冰晶与浓缩液分离。冷冻浓缩适用于高度热敏性食品的浓缩。由于冷冻浓缩是在密闭的低温(对果汁为-3~-7℃)下操作,原料的化学变化、生物反应和酶变被抑制在最低限度,维生素和芳香物质不受损害。但因为在加工过程中,细菌和酶的活性只受到抑制,故制品仍需冷冻贮藏或再经热处理;此外,由于冷冻浓缩果汁的浓度只能达到40~50°Bx,成本又高等原因,目前只在浓缩高芳香组分的热敏物料,如果汁、咖啡、茶等产品上应用。

干燥

食品工业中的干燥,一般是指用正常空气将固体食品的水分降至平衡水分或安全水分。在此水分含量下,霉菌、酶的活动和害虫所引起的质量降低可以略去不计。对大多数物料,这一水分为12~14%湿基。食品干燥的意义在于:

(1)使产品能够长期贮藏而不变质;

(2)可以生产具有较高经济价值的产品,如速溶咖啡、蜜饯和脱水蔬菜;

(3)可以将废料变为有用的产品;

(4)缩小包装容积和减轻重量,以节省包装、贮藏和运输费用,便于携带。

由于被干燥食品的形状、含水量、热敏性等差异甚大,故干燥条件如干燥时间、水分汽化量、传热量等变化也很大。因此食品工业上的干燥器有多种形式。按供热方式可将干燥器划分为对流、接触、辐射和高频干燥器4类。

对流干燥器又称热风干燥器。物料是在接近大气压下进行干燥,空气在换热器中由水蒸气加热到所需温度,多用于固体食品的干燥。在食品工业上常见的有厢式干燥器、隧道式干燥器、沸腾床干燥器、气流干燥器、回转圆筒干燥器、振动式圆筒干燥器和喷雾干燥器。此外,还有蒸汽流干燥器。

接触式干燥器是以热传导为热能的主要供热方式。被干燥食品与加热面密切接触。干燥操作可在常压或真空下进行。由于接触式干燥器不需要加热大量空气,故热能利用的经济性较对流干燥器好。对氧化敏感的食品,可以在真空下操作。在食品工业中使用较广的接触式干燥器有滚筒干燥器、真空干燥器和带式真空干燥器等。滚筒干燥器适用于液状、膏糊状食品的干燥,可用以生产奶粉、汤粉、淀粉、酵母、果汁粉和粉状或片状婴儿食品。带式真空干燥器常用于果汁、番茄汁和咖啡浸出液的干燥。

辐射干燥器是借助于能发射红外线的元件来对物料进行加热。由于水、有机物和高分子物质能有效地吸收红外线,因而被广泛用于蔬菜、谷物的干燥和生产焙烤食品。

高频干燥器是借助高频电场的交变作用使物料加热脱水。它与其他干燥方法的区别在于物料内部水分移向表面是靠温度梯度和湿度梯度的同向传质推动力,被干燥的物料本身就是发热体,通常把这种加热方式称为内部加热方式。高频干燥器一般作用150MHz以下的电频。使用更高的电频和更短的电磁波作热源而制成的微波干燥器已在食品工业中逐渐得到应用,通常使用的微波频率为2450MHz和915MHz。使用高频干燥的优点是:加热所需时间比较短,可以保存加工食品的色香味和减少维生素的损失;加热均匀、便于控制。

制冷

以人工方法自物体或空间内移去热量,以降低其温度的过程。食品工业中常用的制冷方法为蒸汽压缩式。其操作过程如图11。供液槽或贮液槽中处于高压的液体制冷剂流经膨胀阀,降压降温后进入低压区的蒸发器。液体制冷剂在蒸发器中蒸发或沸腾变为蒸汽,蒸发时所吸收热量来自需要冷却的食品,从而达到制冷目的。蒸汽在低压下移动,通过管路进入压缩机,被压缩到高压后进入冷凝器。在冷凝器中,制冷剂被周围介质冷却,变成液态后流回供液槽。食品工业常用的较理想的制冷剂有氨 (NH3)、氟利昂 -12(CF2Cl2)、氟利昂-22(CHF2Cl)等。

制冷技术是食品工程的重要基础技术,在生产中的应用大致为:

(1)冷冻制品、速冻制品的加工;

(2)食品的低温贮藏;

(3)用作食品加工的特殊手段,例如冷冻干燥、冷冻浓缩、冷冻粉碎等;

(4)食品生产车间的空气调节。

真空操作

食品加工中的真空操作是利用真空技术在应用上的某些优点:

(1)不受空气条件的影响,如在真空下加工和保存食品可以避免空气中水汽、酸性气体和氧的影响;

(2)在真空条件下,如真空蒸馏、真空蒸发和真空干燥等可以降低物料的汽化点。食品工业中通常用真空泵来获得真空,常用真空泵有:

(1)活塞式真空泵。可获得1333.22Pa(10托)的极限真空,一般用于食品的真空浓缩和真空干燥。

(2)水环式真空泵。其极限真空在0.67~16.00kPa(50~120托),可抽吸带水蒸气的气体,用于真空封口、真空浓缩等操作。

(3)旋片式真空泵。可获得0.013Pa(10-4托)以下的真空,也可用于其他高真空设备的前级泵,用于食品冷冻干燥装置的真空系统。

(4)水力喷射泵。可获得 80~96kPa(600~720托)的真空度,在浓缩装置中使用时可兼作抽气和冷凝水汽的作用。

包装

包括充填、裹包、封口、贴标和捆扎等主要包装工序,以及与其相关的前后工序,如开箱、洗瓶、堆码和拆卸等,此外还包括在包装件上盖印和计量等。

液体灌装

是将液体(或半液体)食品灌入瓶、罐、软管或塑料等容器。所用灌装机按容器的输送形式可分为回转型和直线型两种。按照液体注入容器的方式,灌装机构有:

(1)重力灌装机构,系采用有固定计量筒并利用液体自重灌入容器的方法。

(2)等压灌装机构,适用于含气饮料。在生产中采用加压方法,使饮料内含有一定的二氧化碳气体。

(3)真空灌装机构,在真空条件下灌装,可防止食品氧化,延长食品保存期。

(4)机械压力灌装机构,食品在齿轮泵、活塞、挤压螺杆的机械压力下压入盒、管、罐等包装容器。适用于粘性较大的酱体(如番茄酱、果酱)的装料。

制袋充填包装

主要是指可以封接的包装材料 (如纸、聚乙烯单膜、聚丙烯单膜或各种复合包装材料),在包装机上自动制袋。最常用的制袋装置是翻颈式制袋成型器。其封口装置一般可采用电加热板或在封口的瞬间通以大电流加热的镍铬合金片的脉冲式热封来实现。

热成型包装

是连续地将无毒聚氯乙稀等热塑性塑料片材,靠真空或冲压模具与压缩空气联合,将其压制成盘状或杯状容器。有时在一台机器上可以完成容器成型、食品充填、覆盖涂塑铝箔、封合,最后由冲剪机构把成品冲裁下来等连续的操作过程。

包装计量

对产品进行包装时采用一定的仪器设备测定产品或包装件的重量、体积或件数等的操作。对于小颗粒、片状和粉末等流动性良好的食品,常采用容杯式、旋转式或螺旋式计量装置。对于液体的充填计量则用液面式计量装置。称量法适用于易吸潮、易结块、粒度不均匀、视比重变化大的物料计量,最常用的有天平和弹簧秤。需要连续称量时,可以使用电子皮带秤,其特点是计量精确度高、称量速度快,如配以信号反馈装置,可以随机调节进料量。计数法计量用于规则的块状或粒状物料,如糖果,饼干等。

无菌包装

将已杀菌的流体、半流体或带悬浮颗粒的食品在无菌条件下装入已杀菌的包装容器并密封。经这样包装的食品可在常温下流通和销售。无菌包装设备有多种形式的无菌包装机。

(1)将牛奶或饮料装入带铝箔的纸盒内,其成品为四面体的四角包装和砖型包装。其典型设备的生产过程为:纸板在输送过程中通过盛有过氧化氢的处理槽(灭菌)后经翻颈式成型器制成圆筒(图12)纵向热封接后入灌装区。在灌装区有一电热管以辐射热对圆筒内面加热,使附着于圆筒内壁的过氧化氢受热分解,产生大量水蒸气和初生态氧,造成了整个圆筒内的无菌气氛,而果汁或牛奶等液态食品则由充填料管引入圆筒中央进行灌装。横向封口装置在液位下施行热封口并切断纸筒,最后由包装成型机将纸盒按所要求的形状成型。

(2)热成型无菌包装机所使用的无毒聚氯乙稀片材覆盖了一层薄膜,在使用时只要在无菌区揭去此薄膜,即可保证包装材料的无菌。

(3)箱中袋无菌包装机是将 2~1000kg的流体食品装入软性包装材料的装置。包装材料一般为带铝箔和聚乙烯材料构成的复合薄膜。制袋时袋子内已用r射线灭菌,袋上有一完全密封的充填口。充填时,先由蒸汽或碘液将机头、灌装区和袋子上的充填口彻底灭菌,然后切开充填口上的薄膜、将预先杀菌的液体食品充填入袋,充填完毕,将袋内抽真空并由一组环状加热器将复合袋的两侧材料牢固地粘结在一起。为了堆码和防止包装材料在贮运过程中被损坏,通常须将袋子装入纸箱或铁筒内。(见食品包装技术)

制罐

将镀锡薄钢板制成盛装食品的金属包装容器的过程,包括切板、制盖、制罐身、翻边、封口、检漏、码垛等。相应的机械有切板机、制盖设备、罐身制造机械、翻边机、封罐机、实罐封口机等。

(1)切板机:已由传统的闸刀式发展成纵、横连续切铁的圆刀式双向切板机。用这种切板机制作的条板精度高、边缘无毛刺,尤其适合于电阻焊罐身机的要求。

(2)制盖设备:主要由波形切板机、自动冲床、圆盖机、注胶机、罐盖烘干机组成。波形压力切板机将镀锡板边缘冲成波形,使冲切的底盖在两条波形板之间交叉排列,以提高材料的利用率。冲制底盖的自动冲床常采用双冲头的模具。由于冲床冲制的罐盖的边与盖面是垂直的,为了使罐身能顺利地进行封口,须用圆盖机将罐盖的盖边向盖面中心弯曲50°左右。罐盖注胶机和烘干机系将液状橡胶注入罐盖钩边,经烘干后成为具有一定硬度、弹性和韧性的密封填料,以保证罐盖和罐身卷边封口后完全密封。

(3)罐身制造机械:罐身制造过程包括切角、切缺、两端端折、成圆、钩接、踏平、锡焊(以锡铅合金为烊料)、擦锡等多项操作步骤。将上述工序集于一机自动连续完成的为罐身联合制造机,在40~70年代为制罐厂普遍采用。70年代开始,制罐技术逐步以熔焊(电阻焊)技术取代锡铅焊接罐,不仅避免了铅锡烊料中铅的污染,保证了食品的卫生要求,而且提高了焊缝强度和罐身质量,简化了制罐工艺,提高了生产效率,节约了原材料。一般焊接速度为 15~25m/min。由于电阻焊需要昂贵的变频装置和纯铜作中间电极,因此已开始研究用激光焊接技术来制造罐身。

(4)翻边机:通过翻边模的冲压作用将焊接后的罐身两端的边缘适当翻出,以便于罐身和罐盖进行卷边密封的机械。

(5)封罐机:使罐身和底盖卷封的机器。通常采用二重卷边操作。

已有将罐身翻边和封口作业合一的组合机,并用具有一定沟槽形状的硬质弯板代替封口滚轮,采用旋压翻边,使机构更为紧凑。

(6)实罐封口机:对已装填食品的罐头容器施行密封的机器。为了尽可能地除去罐内顶隙间和食品本身含有的空气,在密封前须进行排气。通常采用真空排气或喷射蒸汽排气。

食品机械和设备的要求

食品生产中的使用的工艺装备,根据作用于被加工产品的功能性质可分为机械和设备两大类。机械类的特征是存在有运动的工作构件,这些构件机械地作用在被加工的食品上。设备类的特征是存在有一定的反应空间,食品在此空间进行物理-化学过程、生物化学过程、热过程、电的和其他一些过程,这些过程将引起被加工食品的物理或化学性质的变化。在大多数情况下,食品生产装备是由机械和设备组合而成的。

技术要求

除了一般要求(强度、刚度和耐震性)外,对食品机械和设备还有如下要求:

(1)在保证生产过程的最大生产率前提下,应该消除或减少产品损耗,并避免加工过程对原料、中间产品和产品的化学、生物学特性产生影响。

(2)为了避免金属粒子落入被加工的食品,食品机械和设备的工作机构应具有高的耐磨性。

(3)与食品接触的零件表面不应有清洗时难以达到的死角。

(4)保证食品与机械零件表面的附着力为最小。

(5)为了保证机械在周期性的卫生清洗之后以及在装配修理时能够快速拆、装,食品机械和设备由单个的、具有简单连接方式的部件和组件构成。

(6)与食品直接接触的零部件应采用符合国家卫生防疫机构允许使用的材料来制造。

材料要求

(1)与食品直接接触的材料中不应含有对人体健康有害的元素或与食品产生化学反应的元素;食品环境、清洗和应用消毒剂及润滑剂时,不应对材料有所破坏。

(2)材料的耐锈蚀性能强。在食品生产装备中常用不锈钢材料。1Cr18Ni9Ti是食品机械中广泛使用的焊接结构钢,对啤酒、碳酸饮料、肉、果汁和乳等有较好的防锈能力,但不耐氯离子的腐蚀;与食品接触且用腐蚀性清洗剂作卫生处理及高温下作业的食品设备应用高合金钢和耐锈蚀钢。各种聚合物和塑料是常用的非金属材料,如用聚四氟乙稀作切面机和蒸煮挤压机的模板,用有机硅化合物的涂层来减少食品对机件的附着力,有的反应或贮存食品的容器,采用玻璃钢、生漆或环氧树脂的涂层,可以节省大量昂贵的含镍材料。

外观质量要求

应具有高的强度、耐磨、能抵抗腐蚀介质的侵蚀和具有漂亮的装饰。用不锈钢制作的食品设备应作表面抛光,机械外表面的涂漆用多层喷漆,但不准用含有毒物质或不良气味的油漆涂层。在制粉工业中,由于常有火灾的危险,故不准使用硝酸纤维等易燃涂料。

食品生产中的自动控制

在食品生产中,为了提高劳动生产率、减少污染、提高产品质量、减轻劳动强度、消除人为误差、安全运行和提高设备的使用寿命,生产过程的连续化和自动化已成为食品机械和设备的重要组成部分。食品生产中主要测量和控制参数是温度、压力或真空度、液位或料面、物料成分、湿含量、产品计数。在食品生产连续化作业线上,为了检测食品包装容器中的食物重量或容重是否在允差范围,常常在生产线上设置重量或液位检测装置,对于不合格产品则通过选别机或其他执行机构随时将其从生产线中剔除。常用的重量选别机是由电子皮带秤和选别机组成,其称量装置主要是弹簧秤或杠杆秤,并由差动变压器、充电管等作为传感元件。对于检测装有饮料等的包装容器可借用 X射线来判断罐内液面的水平检测仪。检查含汤类等负压罐头,常用真空度检查仪。该仪器有一检测头,当罐头通过此检测头时,即向罐盖发出一电磁脉冲,并由接受检查盖的反响音频,与正常值比较,当真空度不足,即被剔出生产线。此外还有应用光线反射角的办法来检查罐盖内凹的程度,从而判断真空度是否合格的仪器。

食品生产中自动控制的主要目的是稳定工艺参数,如在全自动杀菌机或在蒸煮设备上已广泛应用温度、压力自动调节和记录装置。采用计算机进行程序控制,使杀菌过程自动化,并可把不同的杀菌公式储存起来,使产品质量始终如一。在食品蒸煮挤压机上采用计算机来优化工艺参数,即使对已磨损的螺杆也能生产出合格产品。自动保护在食品单机联动的设备上常起联锁作用,如在高速灌装饮料的生产线上,一旦某一单机出了故障,可以使其他单机停止运转或使整条生产线减速运行,直至故障排除。在产品质量检测方面,用电导仪测量蒸发装置中糖液的浓度,用自动折光仪检测番茄酱的固形物含量,当被检物的浓度达到指定要求时即由执行机构将物料作为成品排出。

展望

食品工程是年轻的技术学科。它广泛地汲取其他工业部门的最新成就,并结合食品加工的特点而不断加以完善和发展。新出现的加工技术,如无菌包装、蒸煮挤压技术、冷冻浓缩和超滤技术,已将传统的加工概念加以更新。这些技术为缩短食品链、减少食品污染和最大限度地减少食品中营养成分的损失起了重要作用。尤其是蒸煮挤压技术,它把食品混合、加热、冷却、剪切和成型等多道工序集于一机,在无污染物排出的情况下,完成了食品的高温短时灭菌和蒸煮。

食品工程的进一步发展,将着重解决以下问题:

(1)用新的包装手段和装备改善食品包装,提高食品保藏性能和货架寿命。

(2)完善蒸煮挤出技术、无菌包装技术等新兴技术。

(3)研究合理的节能装置以降低冷冻食品和冷冻干燥食品的成本。

(4)用生物方法解决食品生产中排污问题。

(5)提高自动化程度,防止食品污染,保证食品安全质量。

(6)食品工程单元操作的最优化及计算机的应用。

参考书目
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  2. N.N.Potter, Food Science, 3rd Edition,The AVI Publishing Co.,Westport Connecticut,1978.
  3. S.M.亨德森、P.L.佩里著,丁霄霖、宋正良、周清澈译:《农产品加工工程》,农业出版社,北京,1984。
  4. S.M.Henderson, P.L.Perry, Agricultural Process Engineering,3rd Edition,1976.

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